CN104921713B - 一种基于心率与脉搏的心肌血氧供需状况动态监测系统及预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于心率与脉搏的心肌血氧供需状况动态监测系统及预警方法，其特征在于：包括信号采集单元和显示终端；信号采集单元由血压初始值设置模块、信号采集模块和通信模块组成，信号采集模块通过心率传感器采集心率信号，通过脉搏压力传感器采集桡动脉脉搏波信号，并将采集到的信号发送至显示终端；显示终端包括数据传输单元、脉搏信号处理单元、运动强度检测单元和预警单元；显示终端通过实时分析桡动脉脉搏波信号计算心内膜下心肌活力率，并结合用户当前的运动强度动态评估当前用户心肌血氧供需状况。本发明还提供了该系统的预警方法，根据心内膜下心肌活力率的检测结果为用户提供相应的提示和报警，实现了人体血氧供需状况的动态监测。

Description

一种基于心率与脉搏的心肌血氧供需状况动态监测系统及预 警方法

技术领域

本发明涉及生物医学工程技术领域，具体涉及一种心肌血氧供需状况动态监测系统及预警方法。

背景技术

缺血性心脏病是目前引起心力衰竭的主要因素，在中国，由于缺血性心脏病导致的心力衰竭占一半以上。缺血性心脏病的主要发病机制在于心肌长期、慢性缺血。心肌的血氧供需受心肌耗氧量和心肌供氧量的双重影响，而心肌缺血是心肌供氧量不足以满足心肌需氧量，使血氧供需失去平衡引起的一种结果。

国内外最新研究表明，心内膜下心肌活力率(subendocardial viability ratio，SEVR)是衡量冠状动脉供需平衡的指标，它体现了动脉系统满足心脏能量的能力的大小，该值越大，反映用户的心脏储备能力越强，人体承受体力活动的能力就越强。

由于身体素质的差异，不同人在静息时的心内膜下心肌活力率并不相同。研究表明，运动强度的增大会导致心室射血时间延长，舒张期充盈时间缩短，最终导致SEVR降低，而且随着强度逐渐增大，SEVR会持续降低。虽然这种SEVR的降低是非病态的，但SEVR的过度降低使得用户的心肌细胞无法获得充足的氧气，长此以往，有可能诱发心肌缺血。

申请号为200910185372.5的中国专利公开了一种基于桡动脉脉搏波的心血管机能参数检测分析方法及检测装置，通过该检测装置和方法得到用户的血压和脉搏波形，通过分析也能获得SEVR，但该专利需要用户在静息状态下测量，无法实时获取SEVR指标。对于年纪较高或很少从事体力活动的人群，实时监测心肌血氧供需状况尤为重要，一旦发生由于SEVR过低导致的突发性心肌缺血，后果将不堪设想。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供了一种心肌血氧供需状况动态监测系统及预警方法，旨在可以实时提供用户的心肌血氧供需状况。

本发明解决技术问题，采用如下技术方案：

本发明基于心率与脉搏的心肌血氧供需状况动态监测系统，其特点在于：包括信号采集单元1和显示终端2；

所述信号采集单元1包括血压初始值设置模块10、信号采集模块11和通信模块12；所述血压初始值设置模块10用于输入用户静息状态下的外周动脉血压值；所述信号采集模块11用于实时采集用户当前的心率信号和用户当前的桡动脉脉搏波信号；所述通信模块12用于将所述外周动脉血压值、所述心率信号和所述桡动脉脉搏波信号输送至所述显示终端2；

所述显示终端2包括运动强度检测单元20、脉搏信号处理单元21、数据传输单元22和预警单元23；所述运动强度检测单元20用于接收来自所述通信模块12的心率信号并判断用户当前的运动强度；所述脉搏信号处理单元21用于接收来自所述通信模块12的外周动脉血压值和桡动脉脉搏波信号并获取心内膜下心肌活力率SEVR；

所述数据传输单元22用于将用户当前的运动强度和心内膜下心肌活力率SEVR发送至预警单元；

所述预警单元23用于根据用户当前的运动强度和心内膜下心肌活力率SEVR评估用户当前的血氧供需状况，并根据评估结果给出相应的警报和预警提示。

本发明基于心率与脉搏的心肌血氧供需状况动态监测系统，其特点也在于：所述信号采集模块11包含微处理器110、心率采样控制器111、脉搏压力采样控制器112、心率传感器113和脉搏压力传感器114；所述心率传感器113用于实时采集用户当前的心率信号，所述心率采样控制器111用于控制所述心率传感器113的采样频率；所述脉搏压力传感器114用于实时采集用户当前的桡动脉脉搏波信号，所述脉搏压力采样控制器112用于控制所述脉搏压力传感器114的采样频率；所述微处理器110用于接收和存储桡动脉脉搏波信号和心率信号，并通过通信模块12与显示终端2进行数据通信。

所述运动强度检测单元20包括运动信号预处理模块200和运动强度识别模块201；所述运动信号预处理模块200用于接收心率信号并利用心率提取算法计算1min内心率的平均值，即平均心率；所述运动强度识别模块201用于将所述平均心率与预设的心率期间作比较，获得用户当前的运动强度；

所述脉搏信号处理单元21包括脉搏信号预处理模块210和心肌活力率获取模块211；所述脉搏信号预处理模块210用于对接收到的桡动脉脉搏波信号进行滤波、去除基线漂移，并以接收到的外周动脉血压值进行标定，获得标定后的桡动脉压力波形；所述心肌活力率获取模块211用于从标定后的桡动脉压力波形中获取心内膜下心肌活力率SEVR。

在所述预警单元23内设置有多个SEVR阈值。

利用上述基于心率与脉搏的心肌血氧供需状况动态监测系统的心肌血氧供需状况预警方法，包括以下步骤：

(1)在血压初始值设置模块10输入用户静息状态下的外周动脉血压值；通过信号采集模块11实时采集用户当前的心率信号和用户当前的桡动脉脉搏波信号；

(2)通信模块12将心率信号输送至运动强度检测单元20，将外周动脉血压值和桡动脉脉搏波信号输送至脉搏信号处理单元21；

(3)脉搏信号处理单元21对接收的桡动脉脉搏波信号进行滤波并去除基线漂移，然后利用外周动脉血压值对桡动脉脉搏波信号进行标定获得标定后的桡动脉压力波形，最后从标定后的桡动脉压力波形中计算舒张期面积DPTI和收缩期面积SPTI，从而获取SEVR，其中SEVR＝DPTI/SPTI；

(4)运动强度检测单元20首先利用心率提取算法计算1min内心率的平均值，即平均心率，然后将所述平均心率与预设的心率期间作比较，获得用户当前的运动强度：

若平均心率＜80次/分钟，判断用户当前处于静息状态；若80次/分钟≤平均心率＜100次/分钟，判断用户当前处于低强度运动状态；若101次/分钟≤平均心率≤140次/分钟，判断用户当前处于中等强度运动状态；若141次/分钟≤平均心率≤180次/分钟，判断用户当前处于高强度运动状态；

(5)数据传输单元22将用户当前的运动强度和SEVR发送至预警单元；

(6)预警单元23接收用户当前的运动强度和SEVR，并将接收到的SVER与预设的SEVR阈值Srth1、Srth2、Srth3比较，评估用户当前心肌血氧供需状况；

当SEVR≤Srth1时：若用户当前处于静息状态，则给出“您当前的心肌活力率过低，发生心肌缺血的可能性较高，请时刻关注”的预警提示，同时预警单元23每隔1s发出警报声，提醒用户注意防范；若用户当前处于低强度运动状态或中等强度运动状态，则给出“心肌活力率过低，请立即停止运动”的提示，同时预警单元23每隔2s发出警报声；若用户当前处于高强度运动状态，则给出“心肌活力率过低，请降低运动强度”的预警提示，同时预警单元23每隔3s发出警报声；

当Srth1<SEVR≤Srth2时：若用户当前处于静息状态，则给出“您当前的心肌活力率较低，随时关注”的预警提示，同时预警单元23每隔2s发出警报声；若用户当前处于低强度运动状态或中等强度运动状态，则给出“心肌活力率较低，请降低运动强度或停止运动”的预警提示，同时预警单元23每隔3s发出警报声；若用户当前处于高强度运动状态，则给出“心肌活力率较低，请降低运动强度”的提示；

当Srth2<SEVR≤Srth3时：若用户当前处于静息状态，则给出“心肌活力率偏低，不易进行锻炼”的预警提示，同时预警单元23每隔3s发出警报声；若用户当前处于低强度运动状态或中等强度运动状态，则给出“心肌活力率偏低，请适当休息一会”的预警提示；若用户当前处于高强度运动状态，则给出“心肌活力率偏低，请降低运动强度或停止运动”的预警提示；

若SEVR>Srth3，给出“当前心肌血氧供需状况良好”的预警提示。

所述预警提示可以通过语音报警的方式给出，所述警报声可以利用振动的形式给出。

所述的外周动脉血压值可从肱动脉或桡动脉通过示波法或听诊法获取。

本发明的有益效果体现在：

本发明通过实时采集人体桡动脉压力波形并从中计算心内膜下心肌活力率，实现了对心肌血氧供需状况的动态监测和评估；本发明实时获取人体心内膜下心肌活力率，结合用户当前的运动状态和强度，给出相应的预警提示，避免由于运动量过大导致心肌缺血。

附图说明

图1为本发明基于心率与脉搏的心肌血氧供需状况动态监测系统的信号采集单元结构图；

图2为本发明基于心率与脉搏的心肌血氧供需状况动态监测系统的显示终端结构图；

图3为利用心率识别运动强度流程图；

图4为预警单元流程图；

图5为本发明主要工作流程图；

图中标号：1信号采集单元；10血压初始值设置模块；11信号采集模块；110微处理器；111心率采样控制器；112脉搏压力采样控制器；113心率传感器；114脉搏压力传感器；12通信模块；2显示终端；20运动强度检测单元；200运动信号预处理模块；201运动强度识别模块；21脉搏信号处理单元；210脉搏信号预处理模块；211心肌活力率获取模块；22数据传输单元；23预警单元。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明实施例作进一步详细的说明。

本发明的基于心率与脉搏的心肌血氧供需状况动态监测系统包括信号采集单元1和显示终端2。

图1所示为本发明信号采集单元1的结构图，包括血压初始值设置模块10、信号采集模块11和通信模块12。其中血压初始值设置模块10用于输入静息状态下测量的用户的外周动脉血压值；信号采集模块11用于实时采集用户当前的心率信号和用户当前的桡动脉脉搏波信号；通信模块12用于将外周动脉血压值、心率信号和桡动脉脉搏波信号输送至显示终端2；

具体实施时，信号采集模块11包含微处理器110、心率采样控制器111、脉搏压力采样控制器112、心率传感器113和脉搏压力传感器114。其中心率传感器113用于实时采集用户当前的心率信号，心率采样控制器111用于控制心率传感器的采样频率，心率信号的采样频率为200Hz；脉搏压力传感器114用于实时采集用户当前的桡动脉脉搏波信号，脉搏压力采样控制器112用于控制脉搏压力传感器的采样频率，本实施例中采样频率为200Hz。微处理器通过通信模块12与图2中的显示终端连接。微处理器110用于接收脉搏压力传感器和心率传感器的输出，将采集的桡动脉脉搏波信号和心率信号存储起来，并通过通信模块11与显示终端2进行数据通信。

信号采集单元通过通信模块12与图2中的脉搏信号处理单元21和运动强度检测单元20相连接。

图2所示为本发明显示终端结构图，包括数据传输单元22、运动强度检测单元20、脉搏信号处理单元21和预警单元23。运动强度检测单元20和脉搏信号处理单元21通过数据传输单元22与预警单元23相连接。其中运动强度检测单元20用于接收来自通信模块12的心率信号并判断用户当前的运动强度；脉搏信号处理单元21用于接收来自通信模块12的外周动脉血压值和桡动脉脉搏波信号并获取反映用户心肌血氧供需状况的生理学指标-心内膜下心肌活力率SEVR；数据传输单元22用于将用户当前的运动强度和心内膜下心肌活力率SEVR发送至预警单元；预警单元23用于根据用户当前的运动强度和心内膜下心肌活力率SEVR评估用户当前的血氧供需状况，并根据评估结果给出相应的警报和预警提示。

具体实施时，运动强度检测单元20包括运动信号预处理模块200和运动强度识别模块201。运动信号预处理模块200用于接收心率信号并利用心率提取算法计算1min内心率的平均值，即平均心率S；运动强度识别模块201用于将所述平均心率与预设的心率期间作比较，获得用户当前的运动强度；

脉搏信号处理单元21包括脉搏信号预处理模块210和心肌活力率获取模块211，脉搏信号预处理模块210用于对接收到的桡动脉脉搏信号进行滤波、用基线处理算法去除基线漂移，并以接收到的外周动脉血压值进行标定，获得标定后的桡动脉压力波形；心肌活力率获取模块211用于从标定后的桡动脉压力波形中获取心内膜下心肌活力率SEVR。

预警单元23包含多个SVER阈值(Srth1<Srth2<Srth3)，根据数据传输单元22发送的SEVR值评估用户当前血氧供需状况，结合用户当前的运动强度给出不同的预警提示。SVER阈值设置方法为：

1、获取n位(n≥80)健康受试者分别在静息状态、低强度运动状态、中等强度运动状态及高强度运动状态下的SEVR，记做SR1[x]，SR2[x]，SR3[x]，SR4[x],x＝1,2,...,n。

2、计算每个运动强度下SEVR的均值：

3、设置阈值为：Srth1＝asr1+(asr2-asr1)/2；

Srth2＝asr2+(asr3-asr2)/2；

Srth3＝asr3+(asr4-asr3)/2。

图3为利用心率识别运动强度流程图。心率信号的采样频率为200Hz。利用心率提取算法识别1min内心率信号的起点foot(x)，x＝1，2，…，m，m为1min内心率信号的起点个数。计算1min内心率的平均值S，其平均值由下式获得：

运动信号预处理模块200将计算的平均心率S发送至运动强度识别模块201，运动强度识别模块中设置有预设的心率期间，运动强度识别模块201识别用户当前的运动强度如下：若平均心率＜80次/分钟，判断用户当前处于静息状态；若80次/分钟≤平均心率＜100次/分钟，判断用户当前处于低强度运动状态；若101次/分钟≤平均心率≤140次/分钟，判断用户当前处于中等强度运动状态；若141次/分钟≤平均心率≤180次/分钟，判断用户当前处于高强度运动状态；

图4所示为预警单元23流程图。预警单元23内置3个SEVR阈值(Srth1<Srth2<Srth3)，用于评估用户当前心肌血氧供需状况。预警单元23接收实测SVER值并将其与内置的SVER阈值比较，结合用户此时的运动强度大小，判断用户当前心肌血氧供需状况，并给出相应的警报和提示。当SEVR≤Srth1时，SEVR过低，心肌血氧供需状况较差。若用户当前处于静息状态，由于大部分缺血性心脏病患者的发病时间集中在睡觉或休息时，静息状态下的心肌活力率过低很有可能导致心肌缺血，因此给出“您当前的心肌活力率过低，发生心肌缺血的可能性较高，请时刻关注”的预警提示(提示1)，并每隔1s向用户发出报警声来提醒用户；若用户当前处于中等强度运动状态或低强度运动状态，表明SEVR的过度降低可能是由于当前运动强度导致，给出“心肌活力率过低，请立即停止运动”的预警提示(提示2)，同时预警单元23每隔2s发出警报声；若用户当前处于高强度运动状态，由于高强度运动相比中等和低强度对SEVR的降低更加明显，因此建议用户降低运动强度，给出“心肌活力率过低，请降低运动强度”的预警提示(提示3)，同时预警单元23每隔3s发出警报声。当Srth1<SEVR≤Srth2，SEVR较低，心肌血氧供应明显不足。若用户当前处于静息状态，则给出“您当前的心肌活力率较低，随时关注”的预警提示(提示4)，同时预警单元23每隔2s发出警报声；若用户当前处于中等强度运动状态或低强度运动状态，则给出“心肌活力率较低，请降低运动强度或停止运动”的预警提示(提示5)，同时预警单元23每隔3s发出警报声；若此时用户当前处于高强度运动状态，由于高强度运动带来的SEVR降低是非病态的，因此给出“心肌活力率较低，请降低运动强度”的预警提示(提示6)，但不对用户发出报警声。当Srth2<SEVR≤Srth3时，SEVR偏低，表明心肌血氧供应可能不足。由于运动会导致SEVR的持续降低，因此不建议用户在此时进行运动，若用户当前处于静息状态下，给出“心肌活力率偏低，不易进行锻炼”的(提示7)预警提示，同时预警单元23每隔3s发出警报声；若用户当前处于低强度运动状态或中等强度运动状态，则给出“心肌活力率偏低，请适当休息一会”的预警提示(提示8)；若用户当前处于高强度运动状态，则给出“心肌活力率偏低，请降低运动强度或停止运动”的预警提示(提示9)。若SEVR>Srth3，表明用户当前心脏储备能力正常，给出“当前心肌血氧供需状况良好”的预警提示(提示10)。

图5所示为利用上述基于心率与脉搏的心肌血氧供需状况动态监测系统的心肌血氧供需状况预警方法的主要工作流程图，包括以下步骤：

(1)启动信号采集单元，输入静息状态下测量的外周动脉血压值。

(2)信号采集单元中的信号采集模块11利用微处理器和心率采样控制器及脉搏压力采样控制器控制心率传感器采集心率信号，控制脉搏压力传感器采集人体桡动脉脉搏波信号；信号采集单元的通信模块12将采集的心率信号发送给运动信号预处理模块200，将桡动脉脉搏波信号发送至脉搏信号预处理模块210。

(3)运动信号预处理模块200从心率信号中计算1min内平均心率，并将结果传送给运动强度识别模块201。同时，脉搏信号预处理模块210获取标定后的桡动脉压力波形，并将结果传送给心肌活力率获取模块211。

(4)运动强度识别模块201通过比较平均心率与预设的心率期间，识别当前用户运动强度，并将结果利用数据传输模块22传送给预警单元23。心肌活力率获取模块211从标定后的桡动脉压力波形中计算波形舒张期面积DPTI和收缩期面积SPTI，获取SEVR(SEVR＝DPTI/SPTI)并将结果通过数据传输模块22发送至预警单元23。

(5)预警单元23根据SEVR值和运动强度动态评估用户当前心肌血氧供需状况。

Claims (4)

1.一种基于心率与脉搏的心肌血氧供需状况动态监测系统，其特征在于：包括信号采集单元(1)和显示终端(2)；

所述信号采集单元(1)包括血压初始值设置模块(10)、信号采集模块(11)和通信模块(12)；所述血压初始值设置模块(10)用于输入用户静息状态下的外周动脉血压值；所述信号采集模块(11)用于实时采集用户当前的心率信号和用户当前的桡动脉脉搏波信号；所述通信模块(12)用于将所述外周动脉血压值、所述心率信号和所述桡动脉脉搏波信号输送至所述显示终端(2)；

所述显示终端(2)包括运动强度检测单元(20)、脉搏信号处理单元(21)、数据传输单元(22)和预警单元(23)；所述运动强度检测单元(20)用于接收来自所述通信模块(12)的心率信号并判断用户当前的运动强度；所述脉搏信号处理单元(21)用于接收来自所述通信模块(12)的外周动脉血压值和桡动脉脉搏波信号并获取心内膜下心肌活力率SEVR；

所述数据传输单元(22)用于将用户当前的运动强度和心内膜下心肌活力率SEVR发送至预警单元；

所述预警单元(23)用于根据用户当前的运动强度和心内膜下心肌活力率SEVR评估用户当前的血氧供需状况，并根据评估结果给出相应的警报和预警提示。

2.根据权利要求1所述的基于心率与脉搏的心肌血氧供需状况动态监测系统，其特征在于：所述信号采集模块(11)包含微处理器(110)、心率采样控制器(111)、脉搏压力采样控制器(112)、心率传感器(113)和脉搏压力传感器(114)；所述心率传感器(113)用于实时采集用户当前的心率信号，所述心率采样控制器(111)用于控制所述心率传感器(113)的采样频率；所述脉搏压力传感器(114)用于实时采集用户当前的桡动脉脉搏波信号，所述脉搏压力采样控制器(112)用于控制所述脉搏压力传感器(114)的采样频率；所述微处理器(110)用于接收和存储桡动脉脉搏波信号和心率信号，并通过通信模块(12)与显示终端(2)进行数据通信。

3.根据权利要求1所述的基于心率与脉搏的心肌血氧供需状况动态监测系统，其特征在于：所述运动强度检测单元(20)包括运动信号预处理模块(200)和运动强度识别模块(201)；所述运动信号预处理模块(200)用于接收心率信号并利用心率提取算法计算1min内心率的平均值，即平均心率；所述运动强度识别模块(201)用于将所述平均心率与预设的心率期间作比较，获得用户当前的运动强度；

所述脉搏信号处理单元(21)包括脉搏信号预处理模块(210)和心肌活力率获取模块(211)；所述脉搏信号预处理模块(210)用于对接收到的桡动脉脉搏波信号进行滤波、去除基线漂移，并以接收到的外周动脉血压值进行标定，获得标定后的桡动脉压力波形；所述心肌活力率获取模块(211)用于从标定后的桡动脉压力波形中获取心内膜下心肌活力率SEVR。

4.根据权利要求1所述的基于心率与脉搏的心肌血氧供需状况动态监测系统，其特征在于：在所述预警单元(23)内设置有多个SEVR阈值。